專利名稱:相變化存儲單元及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及使用相變化存儲材料的高密度存儲器件及其制造方法，相變化存儲材料則包括硫屬化物等材料。
背景技術：
以相變化為基礎的存儲材料被廣泛地運用于讀寫光盤片中。這些材料包括有至少兩種固態(tài)相，包括如大致非晶態(tài)的固態(tài)相，以及大致為結晶態(tài)的固態(tài)相。激光脈沖用于讀寫光盤片中，以在二種相間切換，并讀取此種材料在相變化之后的光學性質(zhì)。
如硫屬化物及類似材料的這些相變化存儲材料，可通過施加其幅度適用于集成電路的電流，而引起晶相變化。一般而言，非晶態(tài)的特征為其電阻高于結晶態(tài)，此電阻值可輕易測量得到而用以作為指示。這種特性則引發(fā)使用可編程電阻材料以形成非易失性存儲電路等的興趣，此電路可用于隨機存取讀寫。
從非晶態(tài)轉變至結晶態(tài)一般為低電流步驟。從結晶態(tài)轉變至非晶態(tài)(以下指稱為重置(reset))一般為高電流步驟，其包括短暫的高電流密度脈沖以融化或破壞結晶結構，其后此相變化材料會快速冷卻，抑制相變化的過程，使得至少部份相變化結構得以維持在非晶態(tài)。理想狀態(tài)下，引起相變化材料從結晶態(tài)轉變至非晶態(tài)的重置電流幅度應越低越好。欲降低重置所需的重置電流幅度，可通過減低在存儲器中的相變化材料元件的尺寸、以及減少電極與此相變化材料的接觸面積而實現(xiàn)，因此可針對此相變化材料元件施加較小的絕對電流值而實現(xiàn)較高的電流密度。
此領域發(fā)展的一種方法致力于在集成電路結構上形成微小孔洞，并使用微量可編程電阻材料填充這些微小孔洞。致力于這些微小孔洞的專利包括于1997年11月11日公告的美國專利No.5,687,112，題為”Multibit Single Cell Memory Element Having Tapered Contact”、發(fā)明人為Ovshinky；于1998年8月4日公告的美國專利No.5,789,277，題為”Method of Making Chalogenide[sic]Memory Device”、發(fā)明人為Zahorik等；于2000年11月21目公告的美國專利No.6,150,253，題為”Controllable Ovonic Phase-Change Semiconductor Memory Deviceand Methods of Fabricating the Same”、發(fā)明人為Doan等。
當希望制造非常小尺寸的裝置且符合大規(guī)模制造存儲裝置所需的嚴格工藝控制變量時，則會產(chǎn)生問題。優(yōu)選地提供一存儲單元結構，其具有小尺寸與低重置電流，并提供制造該結構的方法，其能符合大規(guī)模生產(chǎn)存儲裝置時所需的嚴格工藝變量。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明描述一種適用于大尺寸集成電路的相變化隨機存取存儲裝置(PCRAM)。
根據(jù)本發(fā)明的一個目的，其提供一種相變化存儲單元，此存儲單元為一相變化存儲裝置的一部分，此相變化存儲單元包括第一與第二電極；相變化元件，其與此第一與第二電極電連接；此相變化元件的至少一部份包括較高重置轉換溫度部分以及較低重置轉換溫度部分；以及此較低重置轉換溫度部分包括相變化區(qū)域，此相變化區(qū)域藉由通過電流以從大致結晶態(tài)轉換至大致非晶態(tài)的轉換溫度，低于此較高重置變化溫度部分的轉換溫度。
根據(jù)本發(fā)明的另一目的，其提供一種用以制造相變化存儲單元的方法，此存儲單元為相變化存儲裝置的一部分，此方法包括電連接第一與第二電極以及相變化元件，此相變化元件包括相變化材料；以及，此電連接步驟提供較高重置轉換溫度部分與較低重置轉換溫度部分，此較低重置轉換溫度部分生成相變化區(qū)域，其可藉由通過電流于此二電極間而在大致結晶態(tài)與大致非晶態(tài)之間轉換。
本發(fā)明所述的方法，涉及在PCRAM的存儲單元中形成導橋或其他相變化裝置，此方法可用以制造其他用途的微小導橋。具有非常微小相變化結構的納米技術裝置，使用相變化材料以外的材料，包括金屬、介質(zhì)、有機材料、半導體等。
以下詳細說明本發(fā)明的結構與方法。本
發(fā)明內(nèi)容
說明部分的目的并非在于限定本發(fā)明。本發(fā)明由權利要求
書所限定。凡本發(fā)明的實施例、特征、目的及優(yōu)點等，將可通過下列說明書、權利要求
書及附圖獲得充分了解。
圖1示出薄膜導橋相變化存儲元件的實施例。
圖2示出圖1中薄膜導橋相變化存儲元件的電流路徑。
圖3示出圖1的薄膜導橋相變化存儲元件的相變化活性區(qū)域。
圖4示出圖1的薄膜導橋相變化存儲元件的尺寸。
圖5示出一對相變化存儲元件，其在電極層之下具有存取電路，且在電極層之上具有位線。
圖6為圖5的結構的布局圖。
圖7為存儲陣列的示意圖，該存儲陣列包括相變化存儲元件。
圖8為集成電路器件的方塊圖，此集成電路器件包括薄膜電阻相變化存儲陣列與其他電路。
圖9為襯底的剖面圖，此襯底包括由前段工藝所形成的電路，并在制造圖5的相變化存儲元件結構的一步驟中制造。
圖10示出形成圖5結構中的電極層的形成步驟的初始步驟剖面圖。
圖11A與11B示出對圖10結構進行圖案化的平面圖與剖面圖，其形成電極堆棧于電極層中。
圖12示出在圖11B的電極堆棧上形成側壁隔離的對應步驟的剖面圖。
圖13示出在圖12的結構上形成一層導體材料的對應步驟的剖面圖。
圖14示出在圖13的結構中研磨導體材料與側壁隔離的對應步驟的剖面圖。
圖15示出在圖14的結構上形成相變化材料薄膜層與保護覆蓋層的對應步驟的剖面圖。
圖16A與16B示出針對圖15的相變化材料薄膜層進行圖案化的對應步驟的平面圖與剖面圖，包括形成帶狀光阻劑于相變化材料上。
圖17A與17B示出針對圖15的相變化材料薄膜層進行圖案化的對應步驟的平面圖與剖面圖，包括對圖16A與16B的帶狀光阻進行蝕刻以形成較窄的帶狀光阻。
圖18A與18B示出根據(jù)圖17A與17B的光阻圖案而對相變化材料薄膜層進行蝕刻后的相變化條狀結構的平面圖與剖面圖。
圖19A與19B示出圖18A與18B的相變化材料條狀圖案的平面圖與剖面圖，其用以在電極層上形成相變化材料導橋。
圖20A與20B示出根據(jù)圖19A與19B的圖案在蝕刻后的相變化材料導橋的平面圖與剖面圖。
圖21示出在圖20A與20B的結構(包括電極層與相變化導橋)上形成介質(zhì)層的剖面圖，圖22A與22B示出在圖21的結構中形成導電栓塞于介質(zhì)材料層中的平面圖與剖面圖，介質(zhì)材料層接觸至相變化材料導橋。
圖23示出在圖22A與22B的結構上形成圖案化導電層的對應步驟剖面圖。
圖24-41示出本發(fā)明的實施例，其中相變化材料包括較高與較低變化溫度部分。
圖24示出了相變化材料沉積于第一與第二電極上，此二電極被絕緣組件所分隔。
圖25示出圖24的結構在沉積光阻劑掩模掩模與蝕刻步驟后的結果。
圖26示出了圖25的結構經(jīng)過掩模修剪步驟的結果。
圖27示出了在相變化材料的外露部分布植元素的結果。
圖28與29為相變化存儲單元移除了光阻劑掩模后的示意圖與剖面圖。
圖30示出了圖27的替代布植技術，其中以斜角進行布植，以生成較小的相變化區(qū)域。
圖31示出沿著圖30的31-31線所做的剖面圖，示出由斜角布植所生成的較窄相變化區(qū)域。
圖32為本發(fā)明相變化存儲裝置的簡化剖面圖。
圖33示出圖32的存儲單元存取層。
圖34示出在圖33的存儲單元存取層上沉積相變化材料層的結果。
圖35示出在圖34的相變化材料層上形成平板印刷掩模的結果。
圖36示出在圖35的外露相變化材料進行蝕刻以生成相變化元件的結果。
圖37示出圖36的平板印刷掩模的修剪結果。
圖38示出在相變化元件所外露的大致管狀外部中進行布植的結果。
圖39示出移除平板印刷掩模并沉積一氧化物層于存儲單元存取層與相變化元件的上表面上的結果。
圖40示出對圖39的結構進行化學機械研磨的結果。
圖41為圖40的相變化元件的簡化立體圖。
主要元件符號說明10 存儲單元11 存儲材料導橋12 第一電極13 第二電極14 絕緣組件12a，13a，14a 上表面16 活性通道20 半導體襯底
23，24 多晶硅字線25，26，27 n型終端28 共同源極線29，30 栓塞結構31 電極層32～34 電極組件35a，b 絕緣柵36，37 薄膜存儲材料導橋38 鎢栓塞39 襯底組件40 圖案化導電層41，42 金屬位線45 Y解碼器以及字線驅動器46 X解碼器以及感測放大器50-53 存取晶體管60 存儲陣列61 列解碼器62 字線63 行解碼器64 位線65，67 總線66 感測放大器以及數(shù)據(jù)讀入69 偏壓安排狀態(tài)機71 數(shù)據(jù)輸入電路72 數(shù)據(jù)輸出電路74 其他電路75 集成電路99 結構101，102 溝槽103～105 經(jīng)摻雜區(qū)域
106 源極線107 多晶硅108 硅化物覆蓋層109 介質(zhì)層110，112，113，114 栓塞111 多晶硅線115，116 經(jīng)摻雜區(qū)域117，118 字線120 薄介質(zhì)層121 導電電極材料層130～132 電極堆棧133，134 側壁140～143 介質(zhì)側壁150 電極材料層160～162 電極組件163，164 絕緣組件170 薄膜層171 保護覆蓋層180 光阻層180a，180b 帶狀光阻190 光阻層190a，190b 帶狀光阻200 薄膜存儲材料層201 保護覆蓋層210，211 光阻層210a，210b，211a，211b，212a，212b 光阻結構215 第一電極組件216 第二電極組件217 第三電極組件218 存儲材料導橋
220～222 單元結構220a，b，221a，b，222a，b 單元結構225～227 溝槽230 介質(zhì)填充層240～242 栓塞240a，b 栓塞250 導電層310 相變化存儲單元311 相變化導橋312 第一電極313 第二電極314 絕緣組件316 相變化材料318 光阻掩模320 較小尺寸掩模322 布植324 較高變化溫度部分326 較低變化溫度部分328 相變化區(qū)域410 相變化存儲裝置412 存儲單元存取層414 存儲單元層416，418 第二柵極420，422 第一與第二栓塞424 共同源極線426 介質(zhì)薄膜層428 平坦上表面430 電極表面432 相變化材料層434 平板印刷掩模
436 相變化元件440 布植442 管狀外部444 內(nèi)部(核心)446 氧化物層448 表面450 外端452 位線454 電極表面456 中心區(qū)域具體實施方式
以下將對照圖1-23詳細說明本發(fā)明的薄膜保險絲相變化存儲單元、其存儲陣列、以及用以制造這些單元的方法。圖24-31的實施例為相變化存儲單元的第一組范例，其具有較高與較低重置變化溫度部分。圖32-41的實施例為相變化存儲單元的第二組范例，其具有較高與較低重置變化溫度部分。
下文關于本發(fā)明的敘述通常參照特定的結構實施例與方法。應該了解的是，其并非用以將本發(fā)明限制于特定公開的實施例與方法。本方法可以使用其他特征、元件、方法與實施例而實施。在不同實施例中的相似元件，大致上會以相似的標號指定。
圖1示出存儲單元10的基本結構，其在電極層上包括存儲材料導橋11，電極層包括第一電極12、第二電極13，并在第一電極12與第二電極13之間包括絕緣組件14。如圖所示，第一與第二電極12，13分別具有上表面12a，13a。相似地，絕緣組件14也有一上表面14a。電極層的上表面12a，13a，14a，在所示出實施例的電極層上定義了實質(zhì)平坦的上表面。存儲材料導橋11位于電極層的平坦上表面上，使得在第一電極與導橋11之間、第二電極13與導橋11之間的接觸，經(jīng)由導橋11的底側而形成。
圖2示出了存儲單元結構內(nèi)，在第一電極12、導橋11以及第二電極13之間的電流路徑。存取電路可以利用不同的配置而接觸至第一電極12與第二電極13，進而控制此存儲單元的操作，使得其可被編程以將導橋11設定于二個固態(tài)相之一，此二固態(tài)相可利用存儲材料而可逆地實施。舉例而言，利用硫屬化物相變化存儲材料，此存儲單元可以被設定至相當高的電阻率狀態(tài)以及相當?shù)偷碾娮杪薁顟B(tài)，其中導橋在電流路徑中的至少一部份為非晶態(tài)，以達成高電阻率狀態(tài)，而導橋在電流路徑中的絕大部分則為結晶態(tài)，以達成低電阻率狀態(tài)。
圖3示出了導橋11的活性通道，其中活性通道16為材料被誘發(fā)在至少二固態(tài)相之間轉變的區(qū)域。可以理解的是，活性通道16在所示出的結構中可以非常微小，以減少用以誘發(fā)相變化所需要的電流幅度。
圖4示出了存儲單元10的重要尺寸。活性區(qū)域20的長度L(x軸)由絕緣組件14(在圖中稱為通道介質(zhì))介于第一電極12與第二電極13之間的厚度所定義。此長度L可通過控制存儲單元實施例中的絕緣組件14的寬度而控制。在代表實施例中，絕緣壁14的寬度可以利用薄膜沉積技術而在電極堆棧的側面上形成薄側壁介質(zhì)層。因此，存儲單元的實施例中的通道長度L小于100納米。其他實施例中的通道長度L則為40納米或以下。在其他實施例中，此通道長度小于20納米?？梢岳斫獾氖牵ǖ篱L度甚至可以遠小于20納米，其可視特定應用的需求，而利用如原子層沉積技術等薄膜沉積技術實現(xiàn)。
相似地，在存儲單元實施例中的導橋厚度T(y軸)可以非常微小。導橋厚度T可通過使用薄膜沉積技術而形成于第一電極12、絕緣組件14、以及第二電極13的上表面上。因此，存儲單元實施例中，導橋厚度T為50納米以下。其他存儲單元的實施例中，導橋厚度為20納米以下。在其他實施例中導橋厚度T為10納米以下。可以了解的是，導橋厚度T甚至可以利用如原子層沉積技術等而小于10納米，視特定應用的需求而定，只要此厚度足以使導橋實現(xiàn)其存儲元件的目的即可，即使導橋具有至少二固態(tài)相、且可通過施加電流或電壓于第一與第二電極之間而可逆地誘發(fā)。
如圖4所示，導橋寬度W(z軸)也非常微小。在優(yōu)選實施例中，此導橋寬度W少于100納米。在某些實施例中，導橋寬度為40納米以下。
存儲單元的實例在導橋11包括了相變化存儲材料，包括硫屬化物材料與其他材料。硫屬化物包括下列四元素中任一種氧(O)、硫(S)、硒(Se)、以及碲(Te)，其形成元素周期表上第VI族的部分。硫屬化物包括將硫屬元素與更為正電性的元素或自由基結合而得。硫屬化合物合金包括將硫屬化合物與其他物質(zhì)如過渡金屬等結合。硫屬化合物合金通常包括一個以上選自元素周期表第六欄的元素，例如鍺(Ge)以及錫(Sn)。通常，硫屬化合物合金包括下列元素中一個以上的復合物銻(Sb)、鎵(Ga)、銦(In)、以及銀(Ag)。許多以相變化為基礎的存儲材料已經(jīng)在技術文件中進行描述，包括下列合金鎵/銻、銦/銻、銦/硒、銻/碲、鍺/碲、鍺/銻/碲、銦/銻/碲、鎵/硒/碲、錫/銻/碲、銦/銻/鍺、銀/銦/銻/碲、鍺/錫/銻/碲、鍺/銻/硒/碲、以及碲/鍺/銻/硫。在鍺/銻/碲合金家族中，可以嘗試大范圍的合金成分。此成分可以下列特征式表示TeaGebSb100-(a+b)。
一位研究者描述了最有用的合金為，在沉積材料中所包含的平均碲濃度遠低于70％，典型地低于60％，并在一般型態(tài)合金中的碲含量范圍從最低23％至最高58％，且最佳為介于48％至58％的碲含量。鍺的濃度高于約5％，且其在材料中的平均范圍從最低8％至最高30％，一般低于50％。最佳地，鍺的濃度范圍介于8％至40％。在此成分中所剩下的主要成分則為銻。上述百分比為原子百分比，其為所有組成元素總和為100％。(Ovshinky‘112專利，第10～11欄)由另一研究者所評估的特殊合金包括Ge2Sb2Te5、GeSb2Te4、以及GeSb4Te7(Noboru Yamada，”Potential of Ge-Sb-Te Phase-change OpticalDisks for High-Data-Rate Recording”，SPIE v.3109，pp.28-37(1997))。更一般地，過渡金屬如鉻(Cr)、鐵(Fe)、鎳(Ni)、鈮(Nb)、鈀(Pd)、鉑(Pt)、以及上述的混合物或合金，可與鍺/銻/碲結合以形成相變化合金，其包括有可編程的電阻性質(zhì)?？墒褂玫拇鎯Σ牧系奶厥夥独鏞vshinsky‘112專利中第11-13欄所述，其范例在此列入?yún)⒖肌?br> 相變化合金能在此單元活性通道區(qū)域內(nèi)依其位置順序在材料為一般非晶態(tài)的第一結構狀態(tài)與為一般結晶固體狀態(tài)的第二結構狀態(tài)之間轉換。這些材料至少為雙穩(wěn)定態(tài)的。“非晶”一詞指相對較無次序的結構，其比單晶更無次序性，而帶有可檢測的特征，如比結晶態(tài)更高的電阻值?！敖Y晶態(tài)”一詞指相對較有次序的結構，其比非晶態(tài)更有次序，因此包括有可檢測的特征，例如比非晶態(tài)更低的電阻值。典型地，相變化材料可電切換至完全結晶態(tài)與完全非晶態(tài)之間所有可檢測的不同狀態(tài)。其他受到非晶態(tài)與結晶態(tài)的改變而影響的材料特性包括，原子次序、自由電子密度、以及活化能。此材料可切換成為不同的固態(tài)、或可切換成為由兩種以上固態(tài)所形成的混合物，提供從非晶態(tài)至結晶態(tài)之間的灰階部分。此材料中的電性質(zhì)也可能隨之改變。
相變化合金可通過施加電脈沖而從一種相態(tài)切換至另一相態(tài)。先前觀察指出，較短、較大幅度的脈沖傾向于將相變化材料的相態(tài)改變成大體為非晶態(tài)。較長、較低幅度的脈沖傾向于將相變化材料的相態(tài)改變成大體為結晶態(tài)。在較短、較大幅度脈沖中的能量夠大，因此足以破壞結晶結構的鍵結，同時夠短，因此可以防止原子再次排列成結晶態(tài)。在沒有不適當實驗的情形下，可決定特別適用于特定相變化合金的適當脈沖量變曲線。在本文的后續(xù)部分，此相變化材料以GST代稱，同時應該了解，也可使用其他類型的相變化材料。在本文中所描述的一種適用于PCRAM中的材料，為Ge2Sb2Te5，且通常稱為GST。
本發(fā)明對照相變化材料而進行描述。然而也可使用其他存儲材料(有時也稱為可編程材料)。在本發(fā)明中，存儲材料為其電特性(如電阻值等)可以通過施加能量而改變的材料；此改變可為階梯狀改變、連續(xù)性改變、或二者的混合?？捎糜诒景l(fā)明其他實施例中的其他可編程的存儲材料包括，摻雜N2的GST、GexSby、或其他以不同結晶態(tài)變化來決定電阻的物質(zhì)；PrxCayMnO3、PrSrMnO、ZrOx或其他利用電脈沖以改變電阻狀態(tài)的材料；或其他使用電脈沖以改變電阻狀態(tài)的物質(zhì)；四氰代二甲基苯醌(TCNQ，7，7，8，8-tetracyanoquinodimethane)、甲烷富勒烯66苯基C61丁酸甲酯(PCBM，methanofullerene6，6-phenyl C61-butyric acid methyl ester)、TCNQ-PCBM、Cu-TCNQ、Ag-TCNQ、C60-TCNQ、以其他物質(zhì)摻雜的TCNQ、或任何其他聚合物材料，其包括有以電脈沖而控制的雙穩(wěn)定或多穩(wěn)定電阻態(tài)?？删幊屉娮璐鎯Σ牧系钠渌独℅eSbTe、GeSb、NiO、Nb-SrTiO3、Ag-GeTe、PrCaMnO、ZnO、Nb2O5、Cr-SrTiO3。
有關相變化隨機存取存儲裝置的制造、元件材料、使用與操作等信息，請參見美國專利申請No.11/155,067，申請日為2005/6/14，名稱為”Thin Film Fuse Phase Change Ram and Manufacturing Method”。
圖5示出了PCRAM單元的結構。此單元形成于半導體襯底20上。如淺溝槽隔離介質(zhì)(STI)(未示出)等的絕緣結構，隔離了成對的存儲單元存取晶體管列。此存取晶體管在P型襯底20之中，以n型終端26作用為共同源極區(qū)域、以及n型終端25，27作用為漏極終端而形成。多晶硅字線23，24做為存取晶體管的柵極。介質(zhì)填充層(未示出)形成于多晶硅字線之上。此層為圖案化的導電結構，形成如共同源極線28以及栓塞結構29，30。導電材料可為鎢或其他材料，以及適合做為栓塞與線路結構的材料的組合。共同源極線接觸至源極區(qū)域26，并沿著陣列中的一列而作用為共同源極線。栓塞結構29，30分別接觸至漏極終端25，26。填充層(未示出)、共同源極線28、以及栓塞結構29，30均具有大致平坦的上表面，適合用做為形成電極層31的襯底。
電極層31包括了電極組件32，33，34、其由如絕緣側壁35a，35b等絕緣組件而與彼此分隔，以及襯底組件39。在本實施例的結構中，襯底組件39可厚于絕緣柵35a，35b，并將電極組件33與共同源極線28隔離。舉例而言，襯底組件的厚度可以介于80到140納米之間，而絕緣柵則遠窄于此，因為必須減少在源極線28與電極組件33之間的電容耦合。在本實施例中，絕緣柵35a，35b在電極組件32，34的側壁上包括了薄膜介質(zhì)材料，其在電極層31表面的厚度由側壁上的薄膜厚度所決定。
薄膜存儲材料導橋36(例如GST)位于電極層31上的一側、橫跨絕緣側壁35a而形成第一存儲單元，同時薄膜存儲材料導橋37(例如GST)位于電極層31上的另一側、橫跨絕緣柵35b而形成第二存儲單元。
一介質(zhì)填充層(未示出)位于薄膜導橋36，37之上。介質(zhì)填充層包括二氧化硅、聚酰亞胺、氮化硅、或其他介質(zhì)填充材料。在實施例中，此填充層包括相當良好的熱與電絕緣體，提供導橋良好的熱與電絕緣效果。鎢栓塞38接觸至電極組件33。包括有金屬或其他導電材料(包括在陣列結構中的位線)的圖案化導電層40，位于介質(zhì)填充層之上，并接觸至栓塞38以建立對于對應至薄膜導橋36與37的存儲單元的存取。
圖6以布局的方式顯示在圖5的半導體襯底20上的結構。因此，字線23，24的排列實質(zhì)上平行于共同源極線28，沿著存儲單元陣列中的共同源極線而排列。栓塞29，30分別接觸至半導體襯底內(nèi)的存取晶體管的終端、以及電極組件32，34的底側。薄膜存儲材料導橋36，37位于電極組件32，33，34以及絕緣柵35a，35b之上，絕緣柵35a，35b分隔電極組件。栓塞38接觸至位于導橋35與37之間的電極組件33、以及在圖案化導電層40之下的金屬位線41(在圖6中為透明的)的底側。金屬位線42(非透明)也示出于圖6中，以強調(diào)此結構的陣列布局。
在操作中，對應至導橋36的存儲單元的存取，通過施加控制信號至字線23而實現(xiàn)，字線23將共同源極線28經(jīng)由終端25、栓塞29、以及電極組件32而連接至薄膜導橋36。電極組件33經(jīng)由接觸栓塞38而連接至在圖案化導電層40中的一條位線。相似地，對應至導橋37的存儲單元的存取，通過施加控制信號至字線24而實現(xiàn)。
可以了解的是，在圖5與6的結構中可以使用多種不同材料。舉例而言，可使用銅金屬化。其他類型的金屬化如鋁、氮化鈦、以及含鎢材料等，也可被使用。同時，也可使用如經(jīng)摻雜的多晶硅等非金屬導電材料。在所述實施例中所使用的電極材料，優(yōu)選地為氮化鈦或氮化鉭?；蛘?，此電極可為氮化鋁鈦或氮化鋁鉭、或可包括一個以上選自下列組中的元素鈦(Ti)、鎢(W)、鉬(Mo)、鋁(Al)、鉭(Ta)、銅(Cu)、鉑(Pt)、銥(Ir)、鑭(La)、鎳(Ni)、以及釕(Ru)、以及由上述元素所構成的合金。電極間絕緣柵35a，35b可為二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅、氧化鋁、或其他低介電常數(shù)介質(zhì)?；蛘?，電極間絕緣層可包括一個以上選自下列組的元素硅、鋁、氟、氮、氧、以及碳。
圖7示出存儲陣列的示意圖，其可參考圖5與6所做的描述而實施。因此，圖7中的標號對應至圖5與6中的標號?？梢粤私獾氖?，圖7中所示的陣列結構可利用其他單元結構而實施。在圖7的說明中，共同源極線28、字線23、與字線24、大致上平行于Y軸。位線41與42大致上平行于X軸。因此，在方塊45中的Y解碼器以及字線驅動器，連接至字線23，24。在方塊46中的X解碼器以及一組感測放大器，則連接至位線41，42。共同源極線28連接至存取晶體管50，51，52，53的源極終端。存取晶體管50的柵極連接至字線23。存取晶體管51的柵極連接至字線24。存取晶體管52的柵極連接至字線23。存取晶體管53的柵極連接至字線24。存取晶體管50的漏極連接至電極組件32以連接導橋35，導橋35則進而連接至電極組件34。相似地，存取晶體管51的漏極連接至電極組件33以連接導橋36，導橋36則接著連接至電極組件34。電極組件34連接至位線41。為了圖解方便，電極組件34與位線41位于不同位置。可以理解的是，在其他實施例中，不同存儲單元導橋可使用不同的電極組件。存取晶體管52與53也在位線42上連接至相對應的存儲單元。圖中可見，共同源極線28由二列存儲單元所共用，其中的列沿著Y軸而排列。相似地，電極組件34被陣列中一行的二存儲單元所共用，而在陣列中的行則是沿著X軸排列。
圖8為根據(jù)本發(fā)明實施例的集成電路的簡化方塊圖。集成電路75包括存儲陣列60，其利用薄膜保險絲相變化存儲單元而建立于半導體襯底上。行解碼器61連接至多條字線62，并沿著存儲陣列60中的各行而排列。列解碼器63連接至多條位線64，這些位線沿著存儲陣列60中的各列而排列，并用以從陣列60中的薄膜相變化存儲單元讀取并編程數(shù)據(jù)。位址在總線65上供應至列解碼器63以及行解碼器61。方塊66中的感測放大器以及數(shù)據(jù)輸入結構經(jīng)由總線67而連接至列解碼器63。位址從總線65提供至列解碼器63以及行解碼器61。在方塊66中的感測放大器以及數(shù)據(jù)讀入線路，經(jīng)由數(shù)據(jù)總線67而連接至列解碼器63。數(shù)據(jù)從集成電路75的輸入/輸出端口、或從集成電路75的其他內(nèi)部或外部數(shù)據(jù)來源，經(jīng)由數(shù)據(jù)輸入線路71而提供至方塊66的數(shù)據(jù)輸入結構。在所述實施例中，此集成電路包括其他電路74，如通用處理器或專用應用電路、或以薄膜保險相變化存儲單元陣列所支持而可提供系統(tǒng)單晶片功能的整合模組。數(shù)據(jù)從方塊66中的感測放大器經(jīng)由數(shù)據(jù)輸出線路72，而傳送至集成電路75的輸入/輸出端口，或傳送至集成電路75內(nèi)部或外部的其他數(shù)據(jù)目的。
在本實施例中使用偏壓安排狀態(tài)機69的控制器，控制偏壓安排供給電壓68的應用，例如讀取、編程、擦除、擦除確認與編程確認電壓等。此控制器可使用公知的專用邏輯電路。在替代實施例中，此控制器包括通用處理器，其可應用于同一集成電路中，此集成電路執(zhí)行電腦程序而控制此元件的操作。在又一實施例中，此控制器使用了特定目的邏輯電路以及通用處理器的組合。
圖9示出在前段工藝之后的結構99，形成標準CMOS元件在示出的實施例中，其對應至圖7所示陣列中的字線、源極線、以及存取晶體管。在圖9中，源極線106覆蓋半導體襯底中的經(jīng)摻雜區(qū)域103，其中經(jīng)摻雜區(qū)域103對應至圖中左側的第一存取晶體管、以及圖中右側的第二存取晶體管的源極終端。在此實施例中，源極線106延伸至結構99的上表面。在其他實施例中，此源極線并不完全延伸至表面。經(jīng)摻雜區(qū)域104對應至此第一存取晶體管的漏極。包括有多晶硅107、以及硅化物覆蓋層108的字線，作為此第一存取晶體管的柵極。介質(zhì)層109位于此多晶硅107以及硅化物覆蓋層108之上。栓塞110接觸至此經(jīng)摻雜區(qū)域104，并提供導電路徑至此結構99的表面，而以后述方式連接至存儲單元電極。包括有多晶硅線111、以及硅化物覆蓋層(未標示)的字線作為此第二存取晶體管的柵極。栓塞112接觸至經(jīng)摻雜區(qū)域105并提供導電路徑至結構99的上表面，而以后述方式連接至存儲單元電極。隔離溝101，102將此聯(lián)結至栓塞110與112的雙晶體管結構、與相鄰的雙晶體管結構分隔開來。在圖的左側，示出經(jīng)摻雜區(qū)域115、字線多晶硅117以及栓塞114。在圖的右側，示出經(jīng)摻雜區(qū)域116、字線多晶硅118與栓塞113。在圖9中的結構99提供了用以形成存儲單元元件的襯底，包括第一與第二電極、以及存儲材料導橋，如下所詳述。
圖10示出了此工藝的下一步驟，其中包括有氮化硅或如二氧化硅、氮氧化硅、氧化鋁等其他材料的薄介質(zhì)層120，形成于結構99的表面上。接著，如氮化鈦(TiN)或如氮化鈦等適合的導電材料(例如氮化鉭、鋁合金、銅合金、經(jīng)摻雜的多晶硅等)的導電電極材料層121形成于介質(zhì)層120上。
圖11A與11B示出了此工藝的下一步驟，其中導電電極層121以及介質(zhì)層120經(jīng)圖案化以在結構99的表面上定義電極堆棧130，131，132(在圖11A中的131a，132a，133a)。在一實施例中，電極堆棧由掩模平板印刷步驟所定義，此步驟產(chǎn)生了圖案化的光阻層，接著進行公知的尺寸測量與確定步驟，并接著蝕刻氮化鈦與氮化硅而用以形成層121與120的結構。此堆棧具有側壁133與134。
圖12示出此工藝的下一步驟，其中介電側壁140，141，142，143先通過形成與此堆棧及堆棧的側壁共形的薄膜介質(zhì)層(未示出)于堆棧130，131，132的側壁上、接著各向異性地蝕刻此薄膜介質(zhì)層以將其從堆棧之間以及堆棧表面的區(qū)域移除，而殘留形成于側壁上。在此工藝的實施例中，用以形成側壁140，141，142，143的材料包括氮化硅或其他介質(zhì)材料，例如二氧化硅、氮氧化硅、氧化鋁等。
圖13示出了此工藝的下一步驟，其中第二電極材料層150形成于堆棧130，131，132以及側壁140，141，142，143之上。此電極材料層150包括了氮化鈦或其他合適的導電材料，例如氮化鉭、鋁合金、銅合金、經(jīng)摻雜的多晶硅等。
圖14示出了此工藝的下一步驟，其中第二電極材料層150、側壁140，141，142，143、以及堆棧130，131，132受到蝕刻并平面化，以定義電極層于結構99所提供的襯底上。研磨工藝的實施例包括化學機械研磨工藝、接著進行毛刷清潔以及液體或氣體清潔程序，這為本領域所公知。電極層包括了電極組件160，161，162，以及位于電極組件之間的絕緣組件163，164。在所述實施例中的電極層，具有實質(zhì)上平坦的上表面。在此實施例中，絕緣組件163，164的部份結構也延伸到電極組件161之下，將電極組件161與源極線隔離。其他例示結構中可使用不同的材料于電極組件與絕緣組件中。
圖15示出此工藝的下一步驟，其中薄膜相變化存儲材料層170形成于電極層的實質(zhì)平坦表面上。此存儲材料利用未對準的濺鍍在約250℃下進行。當所使用的相變化存儲材料為Ge2Sb2Te5時，所生成的薄膜厚度約為60納米以下。實施例牽涉到將整個晶圓濺鍍至其平坦表面上厚度為約40納米。在某些實施例中，薄膜層170的厚度小于100納米，且更佳地為40納米以下。在存儲裝置的實施例中，薄膜層170的厚度少于20納米，例如10納米。在形成薄膜層170之后，形成保護覆蓋層171。此保護覆蓋層包括在薄膜層170上所形成的低溫沉積的二氧化硅或其他介質(zhì)材料。此保護覆蓋層171優(yōu)選地為良好的電與熱絕緣體，并保護存儲材料在后續(xù)步驟中不會外露，例如光阻剝除步驟可能傷害此存儲材料。此工藝牽涉到形成低溫襯底介質(zhì)，利用如溫度低于200℃的工藝形成例如氮化硅層或二氧化硅層。適合的工藝之一為等離子增強化學氣相沉積(PECVD)而施加二氧化硅。形成此保護蓋層171之后，可利用如高密度等離子化學氣相沉積法(HDPCVD)等高溫工藝，而施加介質(zhì)填充層于存儲材料之上。
圖16A與16B示出此工藝的下一步驟，其中在掩模平板印刷工藝中形成光阻層180并圖案化，以定義帶狀光阻180a，180b于薄膜層170與保護覆蓋層171之上。如圖16A所示，絕緣組件163，164外露于帶狀光阻180a，180b之間。依據(jù)所使用的平板印刷工藝，此帶狀光阻越細越好。舉例而言，此帶狀光阻的寬度等于所使用的平板印刷工藝的最小特征尺寸F，其中在當前的掩模平板印刷工藝中，工藝的最小特征尺寸可為0.2微米、0.14微米、或0.09微米的數(shù)量級。顯然地，此工藝的實施例可以隨著平板印刷工藝的進步而達到更窄的最小特征尺寸。
圖17A與17B示出此工藝的下一步驟，其中圖16A的帶狀光阻180a，180b經(jīng)修剪，以形成更窄的帶狀光阻190a，190b。如圖17B所示，經(jīng)修剪的光阻190的厚度，也小于圖16B中的光阻層180的厚度。在一實施例中，此帶狀光阻以各向同性蝕刻而修剪，其使用了反應性離子蝕刻等工藝。此蝕刻工藝將帶狀光阻修剪至更小的線寬。在更窄的帶狀光阻190a，190b的實施例中，其寬度小于100納米。在更窄的帶狀光阻190a，190b的其他實施例中，其寬度為40納米以下。光阻修剪利用氧氣等離子而各向同性地蝕刻光阻，進而在0.09微米(90納米)最小特征尺寸的平板印刷工藝中，將其寬度與厚度修剪至約40納米。在替代實施例中，硬掩模層如一層低溫沉積的氮化硅或二氧化硅等，可以置于光阻圖案的底部，以避免在光阻剝除工藝時對存儲材料造成蝕刻傷害。
圖18A與18B示出了此工藝的下一步驟，其中更窄帶狀光阻190a，190b用做蝕刻掩模，同時針對薄膜存儲材料層200進行平板印刷蝕刻，以定義帶狀存儲材料200a，200b，無論有沒有保護蓋層201。如圖所示，帶狀存儲材料200a，200b延伸橫跨絕緣組件163，164、以及在電。在此工藝的實施例中，存儲材料包含GST硫屬化物材料，并利用如含氯或含氟反應性離子蝕刻工藝而進行蝕刻。
圖19A與19B示出此工藝的下一步驟，其中形成另一光阻層210、211、212并圖案化，以定義光阻結構210a、210b、211a、211b、212a、212b。此單元結構對應至成對的存儲單元，如下所述。此單元結構比帶狀存儲材料200a，200b寬，因為其寬度等于所使用的平板印刷工藝(例如光罩平板印刷工藝)所能達到的寬度，并且未經(jīng)過修剪。因此，在某些實施例中的寬度等于用以形成此層的平板印刷工藝的最小特征尺寸F。
圖20A與20B示出此工藝的下一步驟，其中光阻結構210a，210b，211a，211b，212a，212b用左蝕刻掩模，通過蝕刻溝槽225，226為結構99的隔離介質(zhì)結構、以及蝕刻在各行單元之間垂直于字線的溝槽227，而定義單元結構220a，220b，221a，221b，222a，222b(在圖20B中為220，221，222)。此單元結構220a包括第一電極組件215、第二電極組件216、以及第三電極組件217。絕緣組件163分隔第一電極組件215與第二電極組件216。絕緣組件164分隔第一電極組件215與第三電極組件217。存儲材料導橋218位于電極組件215，216，217以及絕緣組件163，164之上，以在結構220上建立二個存儲單元。
圖21示出了此工藝的下一步驟，其中具有平坦上表面的介質(zhì)填充層230形成于電極結構之上、并填入位于電極結構之間的溝槽與溝渠。在此工藝的實施例中，填充層230利用高密度等離子化學氣相沉積(HDPCVD)進行沉積、接著進行化學機械研磨與清潔之后而形成。介質(zhì)填充層可包括二氧化硅、氮化硅、以及其他絕緣材料，較佳地具有良好的熱與電絕緣性質(zhì)。
在某些實施例中，在介質(zhì)填充層之外、或取代介質(zhì)填充層，而提供對于導橋的熱絕緣結構。在實施例中，在施加介質(zhì)填充層之前，此熱絕緣結構通過在導橋(218)上提供熱絕緣覆蓋層，其選擇性地覆蓋電極層。熱絕緣材料層的代表性材料，包括下列元素組合而成的材料硅、碳、氧、氟、與氫。適合用作熱絕緣蓋層的熱絕緣材料，包括二氧化硅、氫氧碳化硅、聚酰亞胺、聚酰胺、以及氟碳聚合物。其他適合用于隔熱隔離層中的物質(zhì)可舉例包括含氟二氧化硅、硅氧烷(silsesquioxane)、聚亞芳香醚(polyarylene ether)、聚對二甲苯(parylene)、含氟聚合物、含氟非晶碳、鉆石類碳、多孔性二氧化硅。在其他實施例中，熱絕緣結構在介質(zhì)填充層中包括了以氣體填充的空洞，介質(zhì)填充層形成于導橋218之上以提供絕熱效果。單層或多層均可提供熱與電絕緣效果。
圖22A與22B示出此工藝的下一步驟，其中通孔(未示出)在填充層230中進行蝕刻，通過存儲材料與填充層而到達電極材料。此通孔蝕刻工藝可利用單一各向異性蝕刻工藝而蝕刻填充層與存儲材料層，或者使用二階段工藝，先以第一蝕刻化學物質(zhì)而蝕刻填充層，再以第二蝕刻化學物質(zhì)而蝕刻存儲材料層。通孔形成后，以鎢金屬或其他導電材料填入通孔，以形成接觸至電極結構中的第一電極組件(例如組件215)的栓塞240(圖22A中的240a，240b)，241，242，以與電極層上的電路進行電連接。在此工藝的實施例中，通孔以擴散障礙層及/或附著層做為襯底，如此領域所公知的，再以鎢金屬或其他合適的導電材料進行填入。此結構接著以化學機械研磨進行平坦化，并進行清潔步驟。最后，施加清潔蝕刻工藝，以形成干凈的結構。
圖23示出了此工藝的下一步驟，其中形成圖案化導電層250并接觸至填充層上的栓塞，提供存儲元件所需的位線與其他導體，產(chǎn)生圖5中所示的結構。在此工藝的實施例中，使用銅合金嵌鑲金屬化工藝，其中沉積氟硅玻璃(FSG)于外露表面上而形成圖案化導電層，接著形成預設的光阻圖案。接著實施蝕刻以移除外露的氟硅玻璃，接著沉積襯底與種子層于此圖案中。接著實施銅電鍍以填充此圖案。在電鍍后，進行退火步驟，跟著進行研磨工藝。其他實施例可使用鋁-銅工藝，或其他公知的金屬化工藝。
在此所描述的單元，包括二底電極以及其間的介質(zhì)，以及位于電極之上、橫跨介質(zhì)的相變化材料導橋。此底電極與介質(zhì)形成于前段工藝CMOS邏輯結構或其他功能電路結構之上的電極層中，提供可以輕易支持內(nèi)建存儲體與功能電路于單晶片上的結構，此晶片可為例如系統(tǒng)單晶片元件。
圖24-31示出了本發(fā)明所制造的相變化存儲單元實施例。圖24示出了第一與第二電極312，313，其由絕緣組件314所隔離。相變化材料316沉積于電極312，313以及絕緣組件314之上。圖25示出了沉積光阻掩模318于相變化材料316上、接著移除未被掩模318所覆蓋的相變化材料316后的結果，移除步驟典型地使用適當?shù)奈g刻工藝進行。此步驟將生成相變化元件，尤其是相變化導橋311。之后，光阻掩模318被修剪以生成圖26中的較小尺寸掩模320。較小尺寸掩模320的寬度遠小于用以生成掩模318的最小平板印刷特征尺寸。修剪步驟典型地由光阻氧等離子修剪工藝所進行，但也可使用其他工藝。較小尺寸掩模320大致置于相變化導橋311的長度的中央，以將導橋311露出，供后續(xù)圖27的布植工藝。
布植步驟322(例如離子步驟)可以使用單一元素或多個元素的組成物，而增加相變化材料316在變化時(即當相變化材料316從大致非晶態(tài)變化至大致結晶態(tài)時的溫度)以及重置時(即當相變化材料316從大致結晶態(tài)變化至大致非晶態(tài)時)的變化溫度。這些元素包括碳、硅、氮、以及鋁。掩模318的移除會產(chǎn)生相變化存儲單元310，其包括圖28與29圖的相變化導橋311。相變化導橋311在較低變化溫度部分326的兩側包括了較高變化溫度部分324。在此實施例中，布植用以提高相變化導橋311的變化溫度部分。在一實施例中，當較高變化溫度部分324為大致非晶態(tài)、且較低變化溫度部分326為大致結晶態(tài)時，較高變化溫度部分324的變化溫度，典型地至少高于較低變化溫度部分326的變化溫度100℃。隨著電流通過第一與第二電極312，313，在相變化區(qū)域328兩側的布植相變化材料部分324可以進行相變化之前，位于絕緣組件314之上的部分326的相變化區(qū)域328，可在大致結晶態(tài)與大致非晶態(tài)之間切換。在某些實施例中，布植可以用以降低部分326的變化溫度，而非用以提高其變化溫度。
圖30與31示出大角度布植330，與圖29圖的相變化區(qū)域328相比，其生成較窄相變化區(qū)域328。此種結果有助于進一步將電流集中于相變化區(qū)域328中，以減少在生成理想的大致結晶態(tài)至大致非晶態(tài)的相變化時所需要的電流與能量。
在圖24-31中的上述本發(fā)明的優(yōu)點在于，通過將較低變化溫度部分326置于較高變化溫度部分324之間而隔離相變化區(qū)域328，可對相變化區(qū)域328產(chǎn)生較大的熱絕緣效果，以進而減少重置電流與電能。
本發(fā)明的另一方面涉及當較高與較低變化溫度部分324，326均為大致結晶態(tài)或大致非晶態(tài)時的導熱性。較佳地，當二者均為大致非晶態(tài)時，較高變化溫度部分324的導熱性小于(更佳地至少50％小于)較低變化溫度部分326的導熱性。相似地，當二者均為大致結晶態(tài)時，較高變化溫度部分324的導熱性小于(更佳地至少50％小于)較低變化溫度部分326的導熱性。這些因素有助于進一步將部分326的相變化區(qū)域328熱絕緣。適當?shù)牟贾苍匕ǖ⒀?、與硅。
本發(fā)明的另一方面，涉及較高與較低變化溫度部分324，326的電阻率。較佳地，當二者均為大致非晶態(tài)時，較高變化溫度部分324的電阻率大于(更佳地至少50％大于)較低變化溫度部分326的電阻率。相似地，當二者均為大致結晶態(tài)時，較高變化溫度部分324的電阻率大于(更佳地至少50％大于)較低變化溫度部分326的電阻率。此外，當二者均為大致非晶態(tài)時，較高變化溫度部分324的電阻值大于(更佳地至少50％大于)較低變化溫度部分326的電阻值。相似地，當二者均為大致結晶態(tài)時，較高變化溫度部分324的電阻值大于(更佳地至少50％大于)較低變化溫度部分326的電阻值。這些方面有助于將電流集中于較低變化溫度部分326的相變化區(qū)域328，以利于減少變化溫度與能量，尤其是在重置時。
較佳地，較高變化溫度部分324為大致非晶態(tài)、并維持于大致非晶態(tài)，因為材料在大致非晶態(tài)時的導熱性與導電性典型地小于在大致結晶態(tài)時的導熱性與導電性。
圖32-41描述了圖24-31實施例的替代實施例，其中相變化元件位于電極表面之間。此實施例的相變化元件具有大致管狀的外部，圍繞著內(nèi)部或核心。外部的轉換溫度典型地高于內(nèi)部。外部有助于將內(nèi)部熱絕緣，以利于在大致非晶態(tài)與大致結晶態(tài)之間的相變化。
圖32為本發(fā)明所制造的相變化存儲元件410的簡化剖面圖。元件410包括形成于襯底(未示出)上的存儲單元存取層412、以及形成于存取層412之上的存儲單元層414。存取層412典型地包括存取晶體管；也可使用其他類型的存取裝置。存取層412包括第一與第二多晶硅字線，其作為第二柵極416，418、第一與第二栓塞420，422、以及一共同源極線424，上述各部件均位于介質(zhì)薄膜層426之內(nèi)。
相變化元件410及其制造方法將參照圖33-41、接著參照圖32，而進行詳述。請參見圖33，存儲單元存取層412具有大致平坦的上表面428。上表面428部分由第一電極表面430在栓塞420，422的一端所定義。接著，典型為GST的相變化材料層432沉積于上表面428之上。此層432的厚度典型地為約10納米，較佳地介于3納米至20納米之間。圖35示出了沉積平板印刷掩模434于層432之上、且對準至栓塞420，422的電極表面430的結果。栓塞420，422以及相關的掩模434具有大致圓柱狀的剖面形狀；然而，其他剖面形狀，無論是規(guī)則或不規(guī)則的多邊形、以及具有曲線及/或直線區(qū)段的形狀，也可使用于其他實施例中。
在圖36中，層432中未被掩模434保護的部分被移除，在本實施例中留下大致圓柱狀的相變化元件436。圖37示出了大致圓柱狀(本實施例)的經(jīng)修剪平板印刷掩模438、生成于相變化元件436上的生成結果。經(jīng)修剪掩模438的寬度或直徑，遠小于用以生成掩模434的工藝的最小平板印刷特征尺寸。修剪典型地以光阻氧等離子修剪工藝所進行，但也可使用其他工藝。之后，圖37的結構利用適當?shù)脑鼗虿牧线M行布植440，例如在圖27時所討論的那樣。此布植將產(chǎn)生相變化元件436，其具有大致管狀的外部442、環(huán)繞內(nèi)部或核心444。布植步驟使得外部442的重置變化溫度高于內(nèi)部444。外部442的重置變化溫度較佳地至少大于內(nèi)部444的重置變化溫度100℃。
經(jīng)修剪的平板印刷掩模438被移除，接著沉積如二氧化硅的氧化物，以生成氧化物層446，如圖39所示。接著針對圖39的結構進行化學機械研磨，以生成如圖40的結構而生成表面448，表面448包括相變化元件436的外端450。之后，金屬位線452形成于表面448之上，位線452作為第二電極而以電極表面454接觸至相變化元件436的外端450。
圖41為簡圖，示出大致圓柱狀的相變化元件436，其包括大致管狀的外部442與內(nèi)部444。相變化元件436的大致管狀外部442的剖面可為大致圓柱狀的剖面，如圖所示；然而，大致管狀外部442的其他剖面形狀也是可能的，包括規(guī)則或不規(guī)則的多邊形、與具有曲線及/或直線區(qū)段的形狀。
外部442作為內(nèi)部444的熱絕緣體，以幫助內(nèi)部444的變化。內(nèi)部444藉由通過電流而從大致結晶態(tài)變化至大致非晶態(tài)，其轉換溫度低于外部442的轉換溫度。內(nèi)部444具有中心區(qū)域456，其沿著內(nèi)部444的內(nèi)部設置。在內(nèi)部444進行相變化之前，中心區(qū)域456可先從大致結晶態(tài)變化至大致非晶態(tài)，因為內(nèi)部的端點被相鄰電極表面430，454所形成的散熱效應而冷卻。因此，在使用時中心區(qū)域可能為內(nèi)部444中，唯一可以有效地從大致結晶態(tài)變化至大致非晶態(tài)的部分，并因此作為內(nèi)部444的相變化區(qū)域。然而，在其他實施例中，內(nèi)部444的全部或大部分可以從大致結晶態(tài)轉換為大致非晶態(tài)，使得內(nèi)部444的所有或全部可作為相變化區(qū)域。
電極452較佳地由氮化鈦所構成。雖然其他如氮化鉭、氮化鋁鈦、或氮化鋁鉭等材料也可使用于電極452，然而由于氮化鈦可以與相變化材料GST形成良好接觸、廣泛地使用于半導體制造中、且在相變化材料變化的高溫時(典型地介于600至700℃)提供了良好的擴散障礙，因此氮化鈦為優(yōu)選的材料。栓塞420，422與共同源極線424典型地由鎢所構成。
在本發(fā)明描述中所使用的詞匯如之上、之下、頂、底等，僅用于使讀者更加了解本發(fā)明，而非用以限制本發(fā)明。
雖然本發(fā)明已參照較佳實施例加以描述，應該了解的是，本發(fā)明并不限于其詳細描述的內(nèi)容。替換方式及修改方式已于先前描述中建議，并且其他替換方式及修改方式將為本領域的技術人員可想到的。特別是，根據(jù)本發(fā)明的結構與方法，所有具有實質(zhì)上相同于本發(fā)明的組件結合而達成與本發(fā)明實質(zhì)上相同結果的，都不脫離本發(fā)明的精神范疇。因此，所有這些替換方式及修改方式意欲落在本發(fā)明于所附的權利要求
書及其等價物所界定的范疇之中。
任何在前文中提及的專利申請以及公開文本，均列為本申請的參考
權利要求
1.一種相變化存儲單元，該存儲單元為相變化存儲裝置的一部分，該相變化存儲單元包括第一與第二電極；相變化元件，其與該第一與第二電極電連接；該相變化元件的至少一部份包括較高重置轉換溫度部分以及較低重置轉換溫度部分；以及該較低重置轉換溫度部分包括相變化區(qū)域，該相變化區(qū)域藉由通過電流以從大致結晶態(tài)轉換至大致非晶態(tài)的轉換溫度，低于該較高重置變化溫度部分的轉換溫度。
2.如權利要求
1所述的相變化存儲單元，其中該較高重置轉換溫度部分的重置轉換溫度高于該低轉換重置溫度部分的重置轉換溫度至少100℃。
3.如權利要求
1所述的相變化存儲單元，其中該第一與第二電極的表面被一間隙所分隔；以及該相變化元件置于該第一與第二電極之間。
4.如權利要求
1所述的相變化存儲單元，其中該相變化元件包括大致為管狀的外部以及被該外部所包圍的內(nèi)部，該外部包括較高重置轉換溫度部分且該內(nèi)部包括較低重置轉換溫度部分。
5.如權利要求
1所述的相變化存儲單元，其中當該較高重置轉換溫度部分與該較低重置轉換溫度均為大致結晶態(tài)時，該較高重置轉換溫度部分的導熱性大于該較低重置轉換溫度部分的導熱性。
6.如權利要求
1所述的相變化存儲單元，其中當該較高重置轉換溫度部分與該較低重置轉換溫度均為大致結晶態(tài)時，該較高重置轉換溫度部分的導熱率至少比該較低重置轉換溫度部分的電阻率大50％。
7.如權利要求
1所述的相變化存儲單元，其中當該較高重置轉換溫度部分與該較低重置轉換溫度均為大致結晶態(tài)時，該較高重置轉換溫度部分的電阻率大于該較低重置轉換溫度部分的電阻率。
8.如權利要求
1所述的相變化存儲單元，其中當該較高重置轉換溫度部分與該較低重置轉換溫度均為大致結晶態(tài)時，該較高重置轉換溫度部分的電阻率至少比該較低重置轉換溫度部分的電阻率大50％。
9.如權利要求
1所述的相變化存儲單元，其中當該較高重置轉換溫度部分與該較低重置轉換溫度均為大致結晶態(tài)時，該較高重置轉換溫度部分的電阻值大于該較低重置轉換溫度部分的電阻值。
10.如權利要求
1所述的相變化存儲單元，其中當該較高重置轉換溫度部分與該較低重置轉換溫度均為大致結晶態(tài)時，該較高重置轉換溫度部分的電阻值至少比該較低重置轉換溫度部分的電阻值大50％。
11.如權利要求
1所述的相變化存儲單元，其中該相變化元件包括第一與第二較高重置轉換溫度部分，該二部分位于該較低重置轉換溫度部分的不同側。
12.如權利要求
1所述的相變化存儲單元，其中該較高重置轉換溫度部分內(nèi)布植有可布植元件，該可布植元件不存在于該較低重置轉換溫度部分內(nèi)。
13.如權利要求
12所述的相變化存儲單元，其中該可布植元件包括下列中至少一種碳、硅、氧、氮、以及鋁。
14.如權利要求
1所述的相變化存儲單元，其中該存儲材料包括選自下列組二種以上材料的組合物鍺、銻、碲、硒、銦、鈦、鎵、鉍、錫、銅、鈀、鉛、銀、硫、以及金。
15.如權利要求
1所述的相變化存儲單元，其中該第一與第二電極包括選自下列組的元素，其鈦、鎢、鉬、鋁、鉭、銅、鉑、銥、鑭、鎳、釕、及其合金。
16.一種相變化存儲單元，該存儲單元為相變化存儲裝置的一部份，該相變化存儲單元包括第一與第二電極，該二電極的表面由一間隙所分隔；相變化元件位于該第一與第二電極之間，并與該第一與第二電極電連接；該相變化元件包括大致為管狀的外部以及被該外部所包圍的內(nèi)部，該外部包括較高重置轉換溫度部分且該內(nèi)部包括較低重置轉換溫度部分，該較高重置轉換溫度部分的重置轉換溫度至少高于該較低重置轉換溫度部分的重置轉換溫度100℃以上；以及該較低重置轉換溫度部分包括相變化區(qū)域，該相變化區(qū)域藉由通過電流以從大致結晶態(tài)轉換至大致非晶態(tài)的轉換溫度，低于該較高重置轉換溫度部分的轉換溫度。
17.一種用以制造相變化存儲單元的方法，該存儲單元為相變化存儲裝置的一部分，該方法包括電連接第一與第二電極以及相變化元件，該相變化元件包括相變化材料；以及該電連接步驟提供較高重置轉換溫度部分與較低重置轉換溫度部分，該較低重置轉換溫度部分生成相變化區(qū)域，其可藉由通過電流于該二電極間而在大致結晶態(tài)與大致非晶態(tài)之間轉換。
18.如權利要求
17所述的方法，其中該電連接步驟包括形成該相變化元件于該第一與第二電極之間并與其接觸。
19.如權利要求
17所述的方法，其中該較高與較低重置轉換溫度部分提供步驟包括改變該相變化元件的大致管狀外部的相變化材料的重置轉換溫度。
20.如權利要求
17所述的方法，其中該重置轉換溫度改變步驟包括增加該相變化元件的該大致管狀外部的重置轉換溫度。
21.如權利要求
17所述的方法，其中該提供步驟包括改變該相變化元件的至少一部份相變化材料的重置改變溫度，以生成較高重置轉換溫度部分與該較低重置轉換溫度部分。
22.如權利要求
21所述的方法，其中該重置轉換溫度改變步驟包括于該相變化元件的一部份中布植材料，以改變該部分的重置轉換溫度。
23.如權利要求
21所述的方法，其中該重置轉換溫度改變步驟包括于該相變化元件的一部份中布植材料，以增加該部分的重置轉換溫度。
24.一種用以制造相變化存儲單元的方法，該存儲單元為相變化存儲裝置的一部分，該方法包括電連接第一與第二電極以及相變化元件，該相變化元件位于該第一與第二電極之間并與其接觸，該相變化元件包括相變化材料；改變該相變化元件的大致管狀外部的相轉換材料的重置轉換溫度，以生成較高重置轉換溫度部分與較低重置轉換溫度部分，該較低重置轉換溫度部分包括相變化區(qū)域，其可藉由通過電流于該二電極間而在大致結晶態(tài)與大致非晶態(tài)之間轉換；以及該重置轉換溫度改變步驟包括以一材料布植于該相變化元件的外部中，以增加該外部的重置轉換溫度。
專利摘要
本發(fā)明涉及一種相變化存儲單元，此存儲單元為相變化存儲裝置的一部分，此相變化存儲單元包括第一與第二電極；相變化元件，其與此第一與第二電極電連接；此相變化元件的至少一部份包括較高重置轉換溫度部分以及較低重置轉換溫度部分；以及此較低重置轉換溫度部分包括相變化區(qū)域，此相變化區(qū)域藉由通過電流以從大致結晶態(tài)轉換至大致非晶態(tài)的轉換溫度，低于此較高重置變化溫度部分的轉換溫度。
文檔編號G11C11/56GK1996635SQ200610168985
公開日2007年7月11日 申請日期2006年12月19日
發(fā)明者龍翔瀾, 劉瑞琛, 陳士弘, 陳逸舟 申請人:旺宏電子股份有限公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan